DNA自組裝模型在生物傳感器設計中的應用研究.pdf

1、本文以分子信標自組裝為核心，生物傳感器的設計為主要研究對象，以提高生物傳感器的性能為目標，對分子信標自組裝模型在組合優(yōu)化的NP問題中的應用及其復雜度進行了研究，并對其在生物傳感器探針設計中的應用進行探索研究，分析其對傳感器靈敏度和響應時間方面的改善和提高。
　　文中圍繞著飲用水源的監(jiān)測問題結合納米金和磁性粒子的優(yōu)點設計出用于檢測水體中病原體和病毒的生物傳感器。DNA生物傳感器的檢測原理主要是利用DNA分子的自組裝技術。因此在論文中

2、首先介紹了DNA分子的自組裝技術，并且給出了DNA自組裝在組合優(yōu)化中NP問題的計算模型，充分展示了DNA計算的巨大的并行性。本文主要內容如下:
　　首先，充分挖掘分子信標這一獨特的“發(fā)夾”結構所表達的信息，利用分子信標靈敏度高，特異結合性強、反應迅速及可熒光標記等優(yōu)點給出最大匹配問題的DNA計算模型。利用分子信標莖干端的熒光標記還可以直觀的觀測到生化反應的完全性，當有發(fā)夾打開時，熒光背景增強，當所有發(fā)夾都打開時，熒光背景最強且不再

3、變化，說明此時已經反應完全了，可以繼續(xù)下一步的操作。另外，此模型的復雜度與頂點的度有關。理論分析表明，作為有m個頂點和n條邊的無向圖，利用分子信標計算它的最大匹配，根據(jù)模型分析其算法的復雜度，編碼及生物操作的復雜度僅隨頂點與邊的增加而增加，且復雜度為Θ（n2）。
　　其次，分析了目前所采用的DNA tile，其結構復雜，且不易熒光標記等不足，利用分子信標的優(yōu)點設計了分子信標tile，其結構簡單，可熒光標記，在讀解時可借助于熒光光譜

4、儀等幫助分析，在計算過程中減少了生化操作，而且其具有特異結合性強和反應迅速等優(yōu)點，一定程度上降低了計算的錯解率。利用分子信標給出圖G的最大匹配的計算模型，計算前先將圖G的邊集映射為二進制組合，假設一個n位二進制數(shù)的第i位取值為1，則它代表對應的第i條邊在集合M中，而不在集合E-M中。假設在一個n位二進制數(shù)的第i位取值為0，則它代表相應的第i條邊不在集合M中，而在集合E-M中，其中M為一邊集。這里利用自組裝算法從對應的所有組合2n中找出圖

5、G的所有匹配，再找出最大匹配。相對分子信標計算模型，此算法將復雜度從Θ（n2）降低到Θ（n）。利用自組裝模型解決組合優(yōu)化中的全錯位排列問題，采用將其所有排列給出，再利用生化反應的并行性同時驗證所有排列是否是全錯位排列，利用熒光光譜儀進行解的讀取。之后又給出整數(shù)線性規(guī)劃問題的自組裝模型，構建乘法、加法和比較子系統(tǒng)進行求解，解的讀取結合者熒光標記和其他分子生物技術操作。最后此自組裝模型也解決了3-可滿足性問題，用熒光標記的方法，利用自組裝模

6、塊對每一個字句同時進行判定，最后使每個字句都為真的即是問題的解，說明此式為可滿足的。對分子信標自組裝模型的復雜度從計算和空間復雜度分別進行分析，得到計算復雜度和空間復雜度為常數(shù)或者是問題規(guī)模n的線性函數(shù)。從此模型中可充分體現(xiàn)分子信標瓦片的優(yōu)點。下一步的研究工作是研究此模型的通用性，并且進行實驗論證。
　　最后，基于這種獨特的結構的優(yōu)勢，結合納米金和磁性粒子的優(yōu)點設計出用于檢測病原體（如大腸桿菌）的DNA生物傳感器。利用鎖核酸(LN